Quando metti una bacinella d'acqua nel congelatore, ottieni cubetti di ghiaccio. Ora, ricercatori dell'Università del Colorado Boulder e dell'Università di Toronto hanno ottenuto una transizione simile utilizzando nuvole di atomi ultrafreddi.

In uno studio che apparirà il 2 agosto sulla rivista Progressi scientifici , il team ha scoperto che potrebbe spingere questi materiali quantistici a subire transizioni tra "fasi dinamiche", essenzialmente, saltare tra due stati in cui gli atomi si comportano in modi completamente diversi.

"Questo accade all'improvviso, e assomiglia alle transizioni di fase che vediamo in sistemi come l'acqua che diventa ghiaccio, ", ha detto la coautrice dello studio Ana Maria Rey. "Ma a differenza di quel vassoio di cubetti di ghiaccio nel congelatore, queste fasi non esistono in equilibrio. Anziché, gli atomi si spostano e si evolvono costantemente nel tempo."

Le scoperte, lei ha aggiunto, fornire una nuova finestra sui materiali difficili da indagare in laboratorio.

"Se lo desidera, Per esempio, progettare un sistema di comunicazione quantistica per inviare segnali da un luogo all'altro, tutto sarà fuori equilibrio, " disse Rey, un compagno di JILA, un istituto congiunto tra CU Boulder e il National Institute of Standards and Technology (NIST). "Tali dinamiche saranno il problema chiave per capire se vogliamo applicare ciò che sappiamo alle tecnologie quantistiche".

Gli scienziati hanno già osservato transizioni simili negli atomi ultrafreddi, ma solo tra poche dozzine di atomi carichi, o ioni.

Rey e i suoi colleghi, in contrasto, trasformato in nuvole composte da decine di migliaia di scariche, o neutro, atomi fermionici. atomi fermionici, lei disse, sono gli introversi della tavola periodica degli elementi. Non vogliono condividere il loro spazio con i loro compagni atomi, che può renderli più difficili da controllare nei laboratori di atomi freddi.

"Stavamo davvero vagando in un nuovo territorio senza sapere cosa avremmo trovato, " ha detto il coautore dello studio Joseph Thywissen, professore di fisica all'Università di Toronto.

Per navigare in quel nuovo territorio, i ricercatori hanno sfruttato le deboli interazioni che si verificano tra atomi neutri, ma solo quando quegli atomi si scontrano l'uno con l'altro in uno spazio ristretto.

Primo, Thywissen e il suo team in Canada hanno raffreddato un gas composto da atomi di potassio neutri ad appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto. Prossimo, hanno sintonizzato gli atomi in modo che i loro "giri" puntassero tutti nella stessa direzione.

Tali spin sono una proprietà naturale di tutti gli atomi, Thywissen ha spiegato, un po' come il campo magnetico terrestre, che attualmente punta a nord.

Una volta che gli atomi erano tutti in formazione, il gruppo li ha poi modificati per cambiare la forza con cui hanno interagito l'uno con l'altro. Ed è lì che è iniziato il divertimento.

"Abbiamo eseguito l'esperimento utilizzando un tipo di campo magnetico, e gli atomi danzavano in un modo, " disse Thywissen. "Più tardi, abbiamo ripetuto l'esperimento con un campo magnetico diverso, e gli atomi danzavano in un modo completamente diverso."

Nella prima danza, o quando gli atomi interagivano a malapena, queste particelle cadevano nel caos. Gli spin atomici iniziarono a ruotare alla propria velocità e rapidamente puntarono tutti in direzioni diverse.

Pensalo come stare in una stanza piena di migliaia di orologi con le lancette dei secondi che ticchettano a tempi diversi.

Ma quella era solo una parte della storia. Quando il gruppo aumenta la forza delle interazioni tra gli atomi, hanno smesso di agire come individui disordinati e più come un collettivo. I loro giri continuavano a ticchettare, in altre parole, ma hanno ticchettato in sincronia.

In questa fase sincrona, "gli atomi non sono più indipendenti, " disse Peiru He, uno studente laureato in fisica alla CU Boulder e uno dei principali autori del nuovo articolo. "Si sentono l'un l'altro, e le interazioni li spingeranno ad allinearsi l'uno con l'altro".

Con i giusti accorgimenti, il gruppo ha anche scoperto che poteva fare qualcos'altro:tornare indietro nel tempo, facendo tornare allo stato iniziale sia la fase sincronizzata che quella disordinata.

Alla fine, i ricercatori sono stati in grado di mantenere queste due diverse fasi dinamiche della materia solo per circa 0,2 secondi. Se possono aumentare quel tempo, Egli ha detto:potrebbero essere in grado di fare osservazioni ancora più interessanti.

"Per vedere una fisica più ricca, probabilmente dovremo aspettare più a lungo, " Egli ha detto.